CN103895727A - 一种活塞驱动式跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞驱动式跳跃机器人结构，这种机器人可以在非平坦的道路、山路以及沙漠上移动，可以跳过一定高度的障碍以及一定宽度的壕沟，有很好的路况适应性。跳跃机器人机构包括跳跃驱动机构、落地姿态自调整机构和方向调节机构。跳跃驱动机构采用气缸活塞机构，通过活塞的爆发性伸出运动及地面的反作用力将机器人弹射并脱离地面实现跳跃运动。机器人横向移动方向和起跳角由机器人的方向调节机构调节，横向移动方向和起跳角的调节分别由不同的结构实现。机器人落地后的姿态由落地姿态自调整机构进行调整，使机器人每次落地后都能自动调整到与地面垂直的状态执行所赋予的任务，并为下一次跳跃做准备。

Description

一种活塞驱动式跳跃机器人

技术领域

本发明涉及一种活塞驱动式跳跃机器人，尤其涉及跳跃机器人的驱动机构、落地姿态自调整机构和方向调节机构，属于机械设计领域。

背景技术

跳跃机器人的移动对地面环境要求低，可以在非平坦的道路、山路以及沙漠上移动，可以越过一定高度的障碍，跳过一定宽度的壕沟，因此在恶劣环境下的探测、救灾以及国防中执行侦察、打击等方面有广泛的应用前景。跳跃机器人的主要问题之一是如何使机器人落地后在最短的时间内恢复稳定的状态并准备下一次跳跃。现在的跳跃机器人有三种落地稳定系统。第一种方法是利用平衡臂的重心移动使机器人稳定，这种系统可较好地稳定系统，但需要额外的执行器和控制系统，并且消耗机器人的能源。第二种方法是移动内部质量块，依靠重力产生转动力矩从而是系统稳定。这种方法简单有效，但这种方法将增加额外的质量同时也消耗机器人的能源，而且在地面坡度大时无法产生足够的力矩使机器人转动。第三种方法是被动方式，将机器人重心设计到整体结构的下部，靠自身重量产生力矩使机器人处于与地面垂直的状态。本发明设计了一种自身重力结合机身形状的姿态调整方式，同时设计了方向调整机构和跳跃驱动机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞驱动式跳跃机器人，这种机器人通过活塞弹出时地面的反作用力使机器人跳跃从而实现机器人的移动，可以实现在各种地面上移动以及越过障碍和壕沟。

为了达到上述目的，本发明采用的跳跃机器人的总体技术方案包括跳跃驱动机构、姿态自调整机构和方向调节机构三个主要部分。跳跃驱动机构通过气缸内气体燃料的爆燃使与地面接触的活塞弹出，利用地面的反作用力将机器人弹射脱离地面实现跳跃运动；为了使机器人跳过指定的高度或距离并落在指定的位置，本发明设计了方向调节机构包括横向移动方向调节机构和起跳角调节机构，横向移动方向调节机构决定机器人落地的横向方向，起跳角调节机构根据跳跃的高度或距离调整机器人起跳方向与地面的夹角。为了使机器人无论以什么姿态落地都能恢复与地面垂直的状态，本发明设计了姿态自调整机构，利用处于底座内部的重心和顶部及底座的形状自动进行姿态的调整，为下一次跳跃做准备，同时减缓落地时的冲击。

附图说明

图1是顶罩骨架示意图；

图2是底座骨架示意图；

图3是包含了驱动机构和方向调节机构的机器人内部结构示意图；

图4是驱动机构的气缸活塞系统示意图；

图5是横向移动方向调节机构部分零件示意图；

图6是支架结构示意图；

图7（a）是起跳角调节前的气缸方向示意图；

图7（b）是起跳角调节后的气缸方向示意图；

图8是气缸活塞位置示意图。

具体实施方式

机器人由跳跃驱动机构驱动机器人实现跳跃，通过活塞的爆发性伸出运动及地面的反作用力将机器人弹射并脱离地面实现跳跃运动。机器人根据运动方向及跳跃高度或跳跃距离由机器人的方向调节机构确定跳跃的横向方向和起跳角，机器人落地后由落地姿态自调整机构调整姿态，使机器人每次落地后都能自动调整到与地面垂直的状态，为下一次跳跃做准备。

机器人的外部由顶罩和底座加外罩组成，图1是顶罩骨架示意图，图2是底座骨架示意图，跳跃机器人内部结构主要部分如图3所示。对于跳跃机器人重要的一点是无论机器人以什么姿态落地都能恢复与地面垂直的状态完成赋予的任务同时为下一次跳跃做准备。在设计时使机器人的重心处于底座中，并且在机器人中心轴线附近，机器人的顶罩骨架由多根弹性材料的金属棒1连接顶罩底板2和顶罩顶板3构成，顶罩1的纵截面呈半圆形，横截面为多边形，顶罩底板2通过连接盘12与支架11连接。底座外形为碗状，主要包括环形底板4、弹性材料制作的底座骨架5和环形导轨6，环形底板4与地面接触。腰部由数根弹性骨架5作为支撑。顶罩连同支架及固定在支架上的零件可绕机器人中心轴线在环形导轨6上相对于底座转动。机器人落地后，顶罩或底座首先着地，弧形的外部结构将使机器人在地面上滚动，由于重心处于机器人的底座部分，重力将使机器人停留在与地面垂直的方向上，并在短时间内稳定。因此，该设计可实现机器人落地后自动调整机器人的姿态而不需要另外的控制系统。

机器人在运动过程中要反复起跳反复落地，要避免机器人在落地时受到冲击而损坏。机器人跳的越高所受的冲击越大，因此需要在设计上能吸收机器人的冲击力，避免落地时损坏机器人。设计中使用了弹性金属棒1、固定在环形轨道外部的硅橡胶7和弹性底座骨架5吸收冲击。当机器人顶罩先着地时，金属棒1构成的柔性骨架可吸收落地时的冲击，硅橡胶7保护侧面和底部。当底座部分先落地时，底座骨架5吸收冲击。这些设计的主要目的是把机器人损伤的危险性降到最小。

机器人的跳跃由燃料供应能量，通过燃料在图4所示的气缸8中的爆燃推动活塞9从气缸中伸出，气缸底部与地面接触，依靠地面的反作用力将机器人弹射并脱离地面实现机器人的跳跃。

机器人横向移动方向的调节由如图5和图6所示的横向移动方向调节系统实现。横向移动方向调节系统主要包括支架11、3个滚珠轴承构成的支撑轮13、两个被动导向轮14、一个驱动导向轮15和电机16组成。电机16是转动的驱动元件。转动部分可通过支撑轮13在环形导轨6和轨道盖10构成的导轨上运动，导向轮14和15用来保持支架11位于环形导轨6的轨道上。驱动导向轮15在电机16的驱动下通过与环形导轨6的侧壁摩擦驱动支架转动。支架11的下部安装有气缸支撑、汽缸活塞以及未在图中显示的各类传感器、控制系统、燃料容器等，一同随支架转动，并使整个转动部件的重心位于支架11的下部，环形导轨6支撑所有转动部分的重量。支架11可在导轨中360°范围内做顺时针或逆时针转动。由于活塞气缸驱动机构固定在支架上，活塞绕中心轴线的角度就确定了跳跃在横向的方向，因此通过机器人横向移动方向的调节机构可任意调节机器人在横向的跳跃方向。

由于复杂路面并不是只是上坡、下坡、沙地或山地，同时还要跳过高低不同的障碍和沟壑，因此跳跃机器人在移动过程中需要对起跳角进行调整，使机器人跳过不同的高度或不同的距离。机器人通过如图4所示的气缸活塞系统实现跳跃，通过起跳角调节机构调节起跳角。如图7所示的起跳角调节机构包括连接在支架11上的气缸支撑板17、转动轴18、齿轮轴及轴套组件19、电机20、固定卡子21、小齿轮22、大齿轮23、调节螺杆24、联轴节25、螺母26和气缸卡环27。气缸活塞系统通过转动轴18连接在气缸支撑板17上，同时通过气缸卡环27、联轴节25连接到调节螺杆24上。气缸在机器人中的位置如图8所示。调节螺杆24在中空的齿轮轴中，电机20通过固定卡子21固定在齿轮轴及轴套组件19上，齿轮轴及轴套组件19固定在气缸支撑板17上。小齿轮22固定在电机20的轴上，螺母26连同大齿轮23固定在齿轮轴及轴套组件21的齿轮轴上并一同转动。为了实现起跳角的调节，只要改变气缸与中心轴线的夹角即可。由于支架11平行于与地面接触的底座，气缸支撑板17连接在支架上，因此本发明通过改变气缸与支撑板的夹角实现起跳角的调节。电机20带动小齿轮22转动，小齿轮22和大齿轮23啮合实现减速，大齿轮23带动螺母26一起转动，螺母26的转动带动调节螺杆24前后移动拉动气缸绕转动轴18转动实现起跳角的调节。图7（a）为调节前的状态，图7（b）为调节后的状态。

通过以上的横向方向调节、起跳角的调节确定跳跃方向和起跳角，然后通过活塞的爆发性伸出运动实现跳跃，落地后通过姿态自调整机构将机器人姿态调整到与地面垂直方向，完成赋予给机器人的任务，需要继续跳跃时重复以上的动作进行下一次跳跃。

Claims (7)

1.一种跳跃机器人机构包括跳跃驱动机构、姿态自调整机构和方向调节机构。跳跃驱动机构用来驱动机器人实现跳跃，落地姿态调整机构的作用是机器人落地之后自动恢复与地面垂直的方向，方向调节机构用来调整机器人的跳跃方向。

2.根据权利要求1所述的一种跳跃驱动机构，其特征在于采用气缸活塞机构，通过活塞的爆发性伸出运动及地面的反作用力将机器人弹射并脱离地面实现跳跃运动。

3.根据权利要求1所述的一种姿态自调整机构，其特征在于具有纵截面为半圆形、横截面为多边形外形的顶罩和外形为碗形的缓冲底座，借助重力使机器人落地时保持稳定的姿态，多边形的横截面的顶罩外形可以减小机器人在地面上的翻滚角度。

4.根据权利要求1所述的一种方向调节机构，其特征在于具有横向移动方向调节机构和起跳角调节机构，横向移动方向调节机构通过调整机器人活塞相对于机器人中心轴线转动实现横向跳跃方向的调整，起跳角调节机构通过调整活塞相对于机器人中心轴线的夹角实现起跳角的调整。

5.根据权利要求3所述的一种姿态自调整机构，其特征在于包含顶罩和底座两部分，顶罩由多根弹性金属棒构成骨架；底座外形为碗形，底部具有金属圆环，是机器人的底面，落地时和地面接触，腰部有数根弹性金属骨架作为支撑，顶部具有环状导轨，可使机器人的支架在环形导轨上运动，机器人依靠处于底座内部的重心和顶部及底座的形状自动进行落地姿态的调整。

6.根据权利要求4所述的一种横向移动方向调节机构，其特征在于由3个支撑轮、三个导向轮和一个电机构成，3个支撑轮构成滚动支撑，支撑轮的轮轴固定在支架上，使支架在环形导轨上做滚动转动；三个导向轮与底座上环形导轨的侧壁接触，保持机器人支架绕机器人中心轴线转动，其中一个导向轮由电机带动旋转，通过与底座环形导轨侧壁的摩擦实现横向方向在360度范围内顺时针或逆时针转动。

7.根据权利要求4所述的一种起跳角调节机构，其特征在于由一组减速齿轮、螺母、螺杆和电机构成，螺杆一端和气缸连接，气缸可绕固定在支架上的转轴转动，电机通过减速齿轮减速后驱动螺母转动使螺杆前后运动拉动气缸转动从而改变活塞与中心轴线的相对角度实现起跳角的改变。

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